Investigation of structures of artificially excited transitional flat plate boundary layer flows by means of Stereo and Multi-plane Particle Image Velocimetry

Stereoskopische und Multiplane PIV Messungen an künstlich angeregten transitionellen Plattengrenzschichtströmungen werden präsentiert. Die experimentellen Ergebnisse sind auf die späten Stadien der K- und Oblique-Typ Transition und auf die Substrukturen und die Entwicklung eines turbulenten Spots fokussiert, der durch eine pulsförmige Punktstörquelle erzeugt wurde. Momentane Geschwindigkeitsfelder wurden ausgewertet, um die lokale und globale Dynamik des turbulenten Zusammenbruchs der Transitionsstrukturen zu quantifizieren. Eine statistische Analyse der Meßergebnisse des Strömungsfeldes des turbulenten Spots wurde durchgeführt. Sie enthält die Berechnungen der Ensemblemittelwerte, rms-Felder, der Beschleunigungsfelder nach Galilei, der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDF) und Raum-Zeit-Korrelationen der Geschwindigkeitsschwankungen, der Reynoldschen Schubspannungen aller Quadranten und der y-Komponente der Vorticity. Die Ergebnisse dieser Analyse führen zu einem Modell, das die Interaktion der dominanten Substrukturen des Spots und den wandnormalen Austausch von Fluid beschreiben kann. Die dominanten Substrukturen wurden als relativ geordnete hairpin-artige Wirbel und wandnahe streaks identifiziert. Das Modell ermöglicht einen Ansatz zur Erklärung des Spotwachstums in Spannweiten- und Strömungsrichtung und seiner selbstähnlichen Pfeilspitzenform.Stereoscopic and Multi-plane PIV measurements on artificially excited transitional boundary layer flows along a flat plate will be presented. The experimental results are focused on the structures of the late stages of K- and Oblique-type transition and on the substructures and the development of a turbulent spot induced by a short locally blown injection of air. Instantaneous velocity fields are examined in order to quantify the local and global dynamics of the structures leading into fully turbulent flow. A statistical analysis of the turbulent spot flow field has been carried out from the measurements consisting of calculations of ensemble averages, rms-fields, Galilean accelerations, probability density functions and space-time-correlations of the velocity fluctuations, the Reynolds stresses of all four quadrants and the y-component of the vorticity. The results of this analysis lead to a model which can describe the interaction of the dominant substructures of the spot and the fluid exchange normal to the wall. The dominant substructures have been identified as relative ordered hairpin-like vortices and wall near streaks. This model enables an explanation for the growth of the spot in both stream-wise and span-wise directions and the self-similar arrowhead shape